上悬式离心机的一种定心装置分析

张瑶瑶，赵剑波，闵　雪，赵永涛，姚家国

（安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖241000）

上悬式离心机的一种定心装置分析

张瑶瑶，赵剑波，闵雪，赵永涛，姚家国

（安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖241000）

上悬式离心机是一种高旋转大转动惯量的大型设备，卸料时转鼓若受到间歇变化的外力作用则会使机器运转不平稳，转动易发生摆动，导致转鼓易碰到刮刀，引起刮刀刮烂面网，现为了解决滤网破坏的现象，增加一个自动定心装置.通过Patran进行有限元分析，结果发现转鼓稳定性增加，有效地改善了卸料过程中转鼓的受力不稳现象.

上悬式离心机；刮刀卸料；定心

上悬式离心机是一种工业间歇式离心机，过滤式离心机广泛应用于制糖工业的糖膏分离及化工生产中分离固相为中等及细颗粒的悬浮液，它是将被分离的悬浮液物料注入转鼓内，当高速旋转时利用离心力场的作用将液体甩出鼓外，而固体颗粒则被铺在转鼓内的滤网截留，从而完成固液分离.运行过程平稳，操作简便.

由于重力卸料时转鼓内滤渣不易清除干净，现目前上悬式离心机多采用机械刮刀卸料.卸料时，刮刀刃口与滤网间的间距一般调整在3～5mm之间，以防止刮刀和滤网相撞而造成生产事故.若在高转速下进行刮刀卸料，有时会导致滤网的快速磨损.筛网破裂不仅影响分离质量还会引起离心机的振动，离心机振动时其轴系受径向周期冲击力的作用产生金属疲劳而降低设备的使用寿命，严重时还会立即损坏设备造成事故[1]，故而给上悬式离心机安装一自动定心装置便显得尤为重要.

本文通过对卸料过程的分析，找出问题产生的原因及影响，并对增加装置进行分析改善.

1　常见故障及改进措施

上悬式离心机根据其挠性轴特点均采用窄刮刀卸料，靠刮刀的旋转轴向移动完成卸料.当降到卸料转速时，闭合罩打开，刮刀装置的旋转气缸动作，刮刀架旋转，其旋转方向与转鼓旋转方向相反，刮刀沿着径向逐渐切进料层，直至转鼓壁，将一周的物料刮下.接着，刮刀升降气缸动作会带动刮刀向下移动，刮刀自上而下将物料从转鼓壁刮下，完成卸料过程.若是在径向切入过程中由于汽缸体刚性不足，气缸中的密封漏气等原因而导致切入过程受力不均匀，在不连续的切入过程中，转鼓受到间歇变化的外力作用，若此时机器运转不平稳，转鼓则会产生陀螺摆动，转鼓的径向摆动会导致转鼓碰撞刮刀，从而使刮刀刮烂面网，这也是刮刀刮烂面网的主要原因[2].其次，在刮刀向下运动的过程中，由于轴表面粘附糖膏等原因，会导致刮刀轴出现步进现象，机器的不稳定运行也会使转鼓受到不均匀的力，导致刮刀刮烂面网.

通过给离心机增加一个定心装置，可有效改善转鼓的摆动，从而降低刮刀刮烂面网的几率.定心装置由一个钢环和铜衬套组成，铜衬套分为两个半圆环，用螺钉固定在钢环内.卸料时闭合罩头内部嵌入衬套中，使主轴得以定位而不致卸料时转鼓产生晃动，确保卸料的顺利进行.而在闭合罩内加上一个弹簧时，可利用弹簧的变形来承受动载荷,冲击载荷.利用弹簧消耗能量来衰减振动，利用变刚性的特点起到弹性约束，定位作用.

2　运动及受力分析

从力学观点上看，上悬式离心机乃是自由悬挂在一点上的一个重的旋转体，其悬挂点位于旋转体的旋转轴线上，并且高于旋转体的质量中心，即所谓的陀螺摆，重量为Q的旋转体在空间绕固定点O旋转[1].

若起始瞬间章动角与章动角速度相等且为0，即θ=θ'0=0时，陀螺摆在其整个旋转期间均能保持铅垂位置.而对于上悬式离心机来说，这一起始条件是难以达到的，起始瞬间可以最大限度保持轴的铅垂位置，即θ0=0，但在工作中势必受到各种外来干扰力.因此，运行中转鼓往往会产生章动和进动.

假设旋转体起始瞬间（t=0)的章动角θ0=0，但章动角速度θ.0≠0（假设受到外力冲击），引入参数

式中，ωζ为陀螺自转速度，J0为物体对自转轴的惯性矩，Jd为赤道惯性矩，Q为旋转体的重量.

可以得到章动角θ、回转角φ、章动角速度θ.、回转角速度φ.0分别为

章动周期

当章动角由θ0变动到，而章动速度由θ.变动至=0，在这种条件下，轴端在水平面上的轨迹为延长内摆线，当受到过大的外力时，陀螺摆偏离其铅垂位置[1].

在转鼓筒体的内侧,作用有均匀分布的载荷P，其载荷的来源包括由转鼓自身质量引起的离心压力P1,由筛网质量引起的离心压力P2和由物料质量引起的离心压力

对于离心力引起的应力和变形可用拉普拉斯方程进行计算：

由转鼓自身质量引起的鼓壁上的周向应力为：

由于转鼓质量所产生的离心压力P1的方向是垂直于轴线而指向外的，因此，它不产生轴向力，也不产生经向力σ'1，即σ'1=0，

对于受物料质量的离心力影响，引起转鼓壁上的周向应力

对于受筛网等附件质量离心力影响，引起鼓壁上的周向应力为：

物料离心力在转鼓上引起的经向力为：

而离心压力在鼓壁内不产生经向应力，即σ‴3==0

由拉普拉斯方程得出p1,p2,p3.在与物料接触的挡液板、转鼓底上作用有按抛物线分布的由物料质量的离心力引起的压力q.

3　有限元分析及结构优化

从上悬式离心机的运动分析可知，不连续的受力会导致转鼓做陀螺摆运动，影响平衡，导致刮刀易刮烂滤网.现用Patran进行有限元分析切入力不平衡对转鼓的影响.

利用通用有限元分析软件Patran，建立转鼓的三维有限元模型，采用三维实体单元，节点总数4621，单元总数2332[4].

图1　有限元模型

未加定心装置之前，轴的定位对离心机整体结构的稳定造成了很大影响.轴承室内设置橡胶缓冲垫形成一种挠性支承.在转鼓运行中当物料不平衡产生干扰力时，轴承室的球面允许作少许摆动，依靠橡胶缓冲垫的阻尼和减振作用，使主轴运转的摆动幅度控制在一定范围内.同时缓冲垫的阻尼减振作用吸收了部份振动能量，可以解决在转速不高时主轴左右摆动对转鼓的冲击.但这具有局限性，如在高速转动以及转鼓转鼓受间歇力作用时就不适用.

通过有限元分析软件Patran对转鼓进行三维仿真分析，通过计算分析，得到转毂应力及位移.

图2　应力云图（未加定轴装置）

以此反应轴的冲击载荷对转鼓的影响.

用Patran软件对理论计算得到的结果（1）-（4）进行有限元分析.由轴而引起的载荷加载到Patran进行数据处理，由此而引起的转鼓应力不平衡如图（1）所示.在未加定力的情况下计算得到应力最大值为3.5Mpa，应力分布不均，转鼓两端所受应力较小，应力呈递增趋势，且应力集中区域范围广[5]，在上悬式离心机高速运转时，将造成转鼓沿径向的位移加大，可能对转鼓的寿命造成影响；同时轴的摆动过大也可能与转鼓碰撞，造成轴的磨损.

图3　位移云图（未加定轴装置）

由轴而引起的转鼓位移变化如图（2）所示转鼓两端位移较小，沿轴向随距离的增加沿径向的位移增加，且递增不均匀.当卸料时，由于主轴的摆动导致转鼓的晃动，造成刮刀刮烂面网，从而减小转鼓清洗的周期，减小了清洗的效率.转鼓移动位移的不均也给转鼓的寿命带来了影响.

综上述，为了解决轴的冲击对转鼓的所受的应力和移动的位移造成的不利影响，尽量保持转鼓的稳定，应减少轴的冲击载荷和动载荷，增加一个定心装置可有效的解决此问题.加定心装置之后，由于轴上端已经有定心装置，而且还有制动盘，制动时，由气缸作用使两个半环状的制动带收紧，将转鼓停止，因此只需将轴下端定位即可.

采用铰链式半圆套进行定位，一个半圆起定位作用，一个半圆可以起到夹紧的作用，短半圆套可以限制轴的两个自由度，长半圆套可以限制轴的四个自由度，可以限制轴在水平面内移动自由度，从而保证轴的定位，减少由于不平衡力所导致的径向位移，从而有效的减小了转鼓的陀螺摆运动.此外，这种铰链式半圆套的定位装卸十分方便，主轴磨损时方便更换.在固液分离过程中，由于轴高速运转，在闭合罩内增加一个弹簧，可以消耗轴带来的动载荷，冲击载荷.利用弹簧变刚性的特点，可以对轴起到弹性约束作用，减小了高速运转时的动载荷和冲击载荷，对整个装置的稳定性起到了关键作用.

图4　应力云图（加定轴装置）

图4为加定轴装置后的应力分布，由Patran分析知加定轴装置后转鼓的的应力还是不均匀分布，但是比不加定轴装置有了明显的改善.

由此可知加定心装置后，将各力按公式计算加载到Patran软件中进行有限元分析，很容易得出轴所受冲击载荷变小，转鼓承受应力和移动位移也变小，这样对固液分离以及卸料过程的稳定性有很大作用.

4　定心装置的要点分析和注意事项

4.1改进后的上悬式离心机较不改进的上悬式离心机在力学性能上有了很大提升，可分离相同的介质，结构上主要增加了一个定心装置，其要点和难点主要有以下几个方面：

（1）材料的选择.合理选择钢环和铜衬套使其在具有一定强度的同时，又有一定的韧性，不致弹性失效发生脆性断裂.闭合罩和弹簧的选择，直接影响轴的定心效果，进而影响转鼓的稳定性，弹簧应选择减振效果好的，弹性性能好的.

（2）闭合罩固定方式的选择.闭合罩如果倾斜将，闭合罩动作将失灵，直接影响罩口滤渣的分离.选择螺母固定时，高速运转以及机体的振动容易导致螺母松动，需定时加固，但其对中性和力矩较小，有利于结构的定位.

4.2轴的定心设计的注意事项

（1）上悬式离心机定心装置铜套每周加油一次，加少量，不要甩出，润滑剂采用2#极压锂基润滑脂.

（2）上悬式离心机定心装置螺母应拧紧，定期查看.

（3）上悬式离心机主轴磨损要及时更换，主轴装配要到位，联轴器弹性胶圈及轴承室中的橡胶缓冲垫的状态，磨损剧烈或老化应更换，主轴承每月一次，高压油枪挤压20次，润滑剂用2#极压锂基润滑脂.

（4）清除刮刀轴上粘附的糖料，并涂上润滑脂，确保刮刀动作正确、可靠.若转鼓严重摆动，则需手动干涉，降至卸料转速进行处理.应特别注意转鼓底闭合罩口处的启闭情况，如有固相粘接应及时清除（可用洗斗开关进行冲洗）.为避免冲洗水飞溅及保证冲洗效果，冲洗应在卸料后、加料前，并待达到加料转速后进行.

此外，由于定位副间存在径向间隙，必将引起径向基准误差，这时的径向定位误差可以在任意方向上发生，为了减小定位误差以及夹紧变形，应确保工序的加工精度.

5　结论

对存在的上悬式离心机主轴定心及转鼓陀螺摆动的问题，采用转鼓内设置定心装置.用理论分析和Patran软件有限元分析的方法，对转鼓加定心装置和不加定心装置时的应力分布和位移分布做出定性分析.虽然减振效果不是很好，但这给提高转鼓稳定性提供了一种简单的方法.因此在实际应用中，应充分考虑方案的可行性，经济型，合理性.

〔1〕孙启才，金鼎伍.离心机原理结构与设计计算[M].北京：机械工业出版社，1987.

〔2〕何丽芳.上悬式机械刮刀卸料全自动离心机存在的问题及对策[J].机电工程技术，2010，39（5）：96-99.

〔3〕陈鑫基，何强强，高伟，刘杰.一种新式三足离心机减震设计方法[J].化学工程与装备，2014（12）：215-218.

〔4〕韦尧兵，姜永涛，姜明星，唐翠霞.上悬式离心机的应力分析与结构优化[J].机械设计，2009，26(10)：55-57.

〔5〕谭蔚，张秀娟，朱企新.三足离心机转鼓有限元应力分析与加强箍设计[J].过滤与分离.2001,11（4）：19-26.

〔6〕冯辛安.机械制造装备设计[M].北京：机械工作出版社，2006.

TH122

A

1673-260X（2016）03-0047-03

2015-12-16

国家级大学生创新创业训练计划项目（201410363010）